二維十字交叉型共振式無線供電區(qū)域結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及二維十字交叉型用于共振式非接觸供電的區(qū)域結(jié)構(gòu)，屬于變壓器或電能變換領(lǐng)域。本發(fā)明的兩個原邊繞組并聯(lián)供電；區(qū)域結(jié)構(gòu)對稱，采用兩個原邊繞組分別繞在兩個相差180°的十字交叉的直角垂直面上的方式，在兩個原邊繞組沒有物理接觸的情況下，根據(jù)磁場唯一性定理，介質(zhì)和電流方向決定唯一磁場，實現(xiàn)了在不破壞繞阻連接的同時兩個原邊繞組正交，從而原邊繞組在區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)對稱。兩個原邊繞組正交避免了兩板不穿插垂直區(qū)域因為結(jié)構(gòu)不對稱而引起的垂直激勵線圈內(nèi)部區(qū)域和垂直激勵線圈外部區(qū)域的磁場強弱差異問題，實現(xiàn)了十字交叉結(jié)構(gòu)的四個區(qū)域磁場多方向且分布均勻。適用于大多數(shù)非接觸式電能傳輸場合。
【專利說明】二維十字交叉型共振式無線供電區(qū)域結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種適用于共振式無線供電中的磁場多方向分布較均勻的十字交叉型區(qū)域結(jié)構(gòu)，屬于變壓器或電能變換領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]無線供電技術(shù)(Wireless Power Transfer, WPT)就是電源和電子接收設(shè)備之間沒有任何物理上的連接，將電能無接觸的傳遞給負載。WPT系統(tǒng)使用原副邊分離的變壓器，有效地克服了傳統(tǒng)的接觸式充電方式存在的安全隱患和實用性問題。根據(jù)電能傳輸原理，可將WPT技術(shù)分為三種:微波式WPT、電磁感應(yīng)式WPT、電磁共振式WPT。共振式WPT是在共振條件下利用線圈進行能量傳輸。與電磁感應(yīng)式WPT相比，電磁共振式WPT對線圈相對位置的敏感度減小，且能夠?qū)崿F(xiàn)較遠距離的無線能量傳輸。與微波式WPT相比，電磁共振式WPT工作頻率相對較低，低電磁輻射，可滿足電磁兼容的要求。
[0003]構(gòu)建一個無線供電區(qū)域，在醫(yī)用、商用，家用等方面都有實際的應(yīng)用前景。電磁共振式憑借中距離傳輸、低電磁輻射的特點，適用于構(gòu)建無線供電區(qū)域。
[0004]目前的共振式非接觸供電區(qū)域，Solja i M, Kurs A, Karalis A, et al,“Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J]，，，Sciencexpress, 2007, 112 (6): 1-10所研究的單線圈激勵的供電區(qū)域結(jié)構(gòu),磁場方向單一，不能保證接收線圈在多個方向都能夠接收到足夠的能量；為了解決磁場方向單一的問題，Toshio Ishizaki, Satoshi Nojiri, Tetsuya Ishida, Ikuo Awai, Ikuo Awai, “3-DFree-Access WPT system for charging movable terminals”， IEEE, 2012:219-222 提出了兩個垂直不穿插線圈激勵的供電區(qū)域結(jié)構(gòu)，在單個激勵線圈的垂直方向增加一個激勵線圈，區(qū)域磁場實現(xiàn)多方向，但是因為區(qū)域結(jié)構(gòu)的不對稱，磁場分布不均勻，垂直激勵線圈內(nèi)部區(qū)域磁場強度大，垂直激勵線圈外部區(qū)域磁場強度小；K.0’ Brien, G.Scheible,H.Gueldner, “Design of large air-gap transformers for wireless power supplies”，IEEE, 2003:1557-1562 ABB公司所研究的四邊形供電區(qū)域，四個激勵線圈區(qū)域結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了磁場的多方向，但是內(nèi)部區(qū)域磁場強度大，外部區(qū)域磁場強度小，磁場分布不均勻。在為多個移動終端供電等這種需要磁場多方向且分布較均勻的場合并不適用。如何構(gòu)建一個磁場多方向且分布均勻的區(qū)域，成為共振式非接觸供電區(qū)域的一個值得考慮的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有供電區(qū)域磁場分布不均勻，存在明顯磁場強弱區(qū)域的問題，設(shè)計的一種實現(xiàn)在空間上磁場由中心點向外發(fā)散的多方向且分布較均勻的的共振式無線供電區(qū)域結(jié)構(gòu)。
[0006]一種二維十字交叉型用于共振式非接觸供電的區(qū)域結(jié)構(gòu)，包括支撐板組成的區(qū)域結(jié)構(gòu)和原邊繞組，其特征在于:所述的區(qū)域結(jié)構(gòu)由四塊支撐板組成，四塊支撐板相交于同一軸線處形成十字交叉結(jié)構(gòu)，相鄰支撐板彼此垂直；設(shè)四塊支撐板沿順時針依次記作板一、板二、板三、板四，所述軸線稱作共軸線；上述板一和板二上均勻繞有第一螺旋型原邊繞組，板三和板四上均勻繞有第二螺旋型原邊繞組；上述第一螺旋型原邊繞組在板一上的繞線布局和第二螺旋型原邊繞組在板四上的繞線布局相同；上述第一螺旋型原邊繞組在板二上的繞線布局和第二螺旋型原邊繞組在板三上的繞線布局相同；上述板一上的第一螺旋型原邊繞組和板三上的第二螺旋型原邊繞組在共軸線處的電流方向完全一致；上述板二上的第一螺旋型原邊繞組和板四上的第二螺旋型原邊繞組在共軸線處的電流方向完全一致；上述第一螺旋型原邊繞組和第二螺旋型原邊繞組物理上互不接觸，并聯(lián)供電。
[0007]本發(fā)明與現(xiàn)有共振式非接觸供電區(qū)域結(jié)構(gòu)相比的主要技術(shù)特點是，兩個原邊繞組并聯(lián)供電；區(qū)域結(jié)構(gòu)對稱，采用兩個原邊繞組分別繞在兩個相差180°的十字交叉的直角垂直面上的方式，在兩個原邊繞組沒有物理接觸的情況下，根據(jù)磁場唯一性定理，介質(zhì)和電流方向決定唯一磁場，實現(xiàn)了在不破壞繞阻連接的同時兩個原邊繞組正交，從而原邊繞組在區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)對稱。兩個原邊繞組正交避免了兩板不穿插垂直區(qū)域因為結(jié)構(gòu)不對稱而引起的垂直激勵線圈內(nèi)部區(qū)域和垂直激勵線圈外部區(qū)域的磁場強弱差異問題，實現(xiàn)了十字交叉結(jié)構(gòu)的四個區(qū)域磁場多方向且分布均勻。適用于大多數(shù)非接觸式電能傳輸場合。
[0008]所述的第一螺旋型原邊繞組和第二螺旋型原邊繞組的幾何形狀為多邊形或圓形。其中所述的多邊形可以為矩形或六邊形。
[0009]所述的支撐板的平面幾何形狀為多邊形或扇形。其中所述的多邊形可以為矩形或六邊形。
[0010]所述的支撐板可以為柔性板或硬性板。用柔性板折疊而成或亞克力等硬性板接插件、膠合組合。
[0011]所述的第一螺旋型原邊繞組和第二螺旋型原邊繞組所可以采用的導線為實心導線，或Litz線或者PCB繞組。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明中的一種矩形板組成的二維十字交叉型用于共振式非接觸供電的區(qū)域結(jié)構(gòu)的示意圖；
圖2是本發(fā)明中的一種圓形板組成的二維十字交叉型用于共振式非接觸供電的區(qū)域結(jié)構(gòu)的不意圖；
圖3是本發(fā)明中的一種六邊形板組成的二維十字交叉型用于共振式非接觸供電的區(qū)域結(jié)構(gòu)的示意圖；
圖4是本發(fā)明中的一種矩形繞組繞制形式的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本發(fā)明中的一種圓形繞組繞制形式的結(jié)構(gòu)示意圖(側(cè)面)；
圖6是本發(fā)明中的一種六邊形繞組繞制形式的結(jié)構(gòu)示意圖(正面)；
圖7是現(xiàn)有的一種矩形繞組繞制形式的兩板不穿插垂直區(qū)域的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8是本發(fā)明所述的一種二維十字交叉型區(qū)域(圖8(1))和兩板不穿插垂直區(qū)域的(圖8(2))的磁場仿真對比圖，其中(3)是磁場仿真圖的線條顏色標準。
【具體實施方式】
[0013]附圖非限制性公開了本發(fā)明的幾個具體實施實例，結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述如下。
[0014]參見附圖1，其區(qū)域采用矩形板以二維十字交叉組合而成，可以用兩塊柔性板折疊呈90°，共直角邊連接構(gòu)成區(qū)域，也可以用四塊剛性板通過接插件連接構(gòu)成區(qū)域。
[0015]參見附圖2，其區(qū)域采用圓形板以二維十字交叉組合而成。
[0016]參見附圖3，其區(qū)域采用六邊形板以二維十字交叉組合而成。
[0017]參見附圖4，是原邊繞組以矩形繞制形式繞在二維十字交叉的矩形板的示意圖，圖中①②③④分別表示板一、板二、板三、板四，實線描述第一原邊繞組，虛線描述第二原邊繞組，箭頭表示電流方向，；
參見附圖5，是原邊繞組以圓形繞制形式繞在二維十字交叉的圓形板的側(cè)面示意圖；
參見附圖6，是原邊繞組以六邊形繞制形式繞在二維十字交叉的六邊形板的正面示意
圖；
參見附圖7，其區(qū)域采用兩矩形板不穿插垂直組合而成；
下面以附圖4中原邊繞組以矩形繞制形式繞在十字交叉的矩形板區(qū)域為例，對比附圖7中兩板不穿插垂直區(qū)域，以兩個區(qū)域的中心剖面建模，利用商用有限元仿真軟件Ansoft2D，闡述其實現(xiàn)在空間上磁場由中心點向外發(fā)散的多方向且分布較均勻的的共振式無線供電區(qū)域結(jié)構(gòu)的原理。
[0018]附圖8是基于十字交叉型(圖8(1))與兩板垂直共振式非接觸供電區(qū)域結(jié)構(gòu)((圖8(2))的磁場仿真結(jié)果。在同樣的矩形板長寬、繞組長度、繞組線徑、匝數(shù)和激勵電流的條件下，兩個原邊繞組并聯(lián)供電。區(qū)域結(jié)構(gòu)對稱，采用兩個原邊繞組分別繞在兩個相差180°的十字交叉的直角垂直面上的方式，在兩個原邊繞組沒有物理接觸情況下，根據(jù)磁場唯一性定理，介質(zhì)和電流方向決定唯一磁場，實現(xiàn)了在不破壞繞阻連接的同時兩個原邊繞組正交，從而原邊繞組在區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)對稱。兩個原邊繞組正交避免了兩板不穿插垂直區(qū)域因為結(jié)構(gòu)不對稱而引起的垂直激勵線圈內(nèi)部區(qū)域和垂直激勵線圈外部區(qū)域的磁場強弱差異問題，實現(xiàn)了十字交叉結(jié)構(gòu)的四個區(qū)域磁場多方向且分布均勻。
[0019]綜上所述，本發(fā)明中的二維十字交叉區(qū)域的板可用柔性板折疊、亞克力等剛性板通過接插件組合而成；二維十字交叉型區(qū)域可由矩形板，圓形板，或多邊形板等構(gòu)成；所述繞組的繞制形狀可為矩形，圓形，或多邊形等；所述繞組可以采用選用實心導線、Litz線或者PCB繞組。每個繞組的材料，線徑，匝數(shù)、長度應(yīng)盡量相等，以提高區(qū)域磁場強度的均勻分布。
【權(quán)利要求】
1.一種二維十字交叉型用于共振式非接觸供電的區(qū)域結(jié)構(gòu)，包括支撐板組成的區(qū)域結(jié)構(gòu)和原邊繞組，其特征在于: 所述的區(qū)域結(jié)構(gòu)由四塊支撐板組成，四塊支撐板相交于同一軸線處形成十字交叉結(jié)構(gòu)，相鄰支撐板彼此垂直，設(shè)四塊支撐板沿順時針依次記作板一、板二、板三、板四，所述軸線稱作共軸線； 上述板一和板二上均勻繞有第一螺旋型原邊繞組，板三和板四上均勻繞有第二螺旋型原邊繞組； 上述第一螺旋型原邊繞組在板一上的繞線布局和第二螺旋型原邊繞組在板四上的繞線布局相同；上述第一螺旋型原邊繞組在板二上的繞線布局和第二螺旋型原邊繞組在板三上的繞線布局相同； 上述板一上的第一螺旋型原邊繞組和板三上的第二螺旋型原邊繞組在共軸線處的電流方向完全一致；上述板二上的第一螺旋型原邊繞組和板四上的第二螺旋型原邊繞組在共軸線處的電流方向完全一致； 上述第一螺旋型原邊繞組和第二螺旋型原邊繞組物理上互不接觸，并聯(lián)供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維十字交叉型用于共振式非接觸供電的區(qū)域結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的第一螺旋型原邊繞組和第二螺旋型原邊繞組的幾何形狀為多邊形或圓形。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的二維十字交叉型用于共振式非接觸供電的區(qū)域結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的多邊形為矩形或六邊形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維十字交叉型用于共振式非接觸供電的區(qū)域結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的支撐板的平面幾何形狀為多邊形或扇形。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的二維十字交叉型用于共振式非接觸供電的區(qū)域結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的多邊形為矩形或六邊形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維十字交叉型用于共振式非接觸供電的區(qū)域結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的支撐板為柔性板或硬性板。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維十字交叉型用于共振式非接觸供電的區(qū)域結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的第一螺旋型原邊繞組和第二螺旋型原邊繞組所采用的導線為實心導線、Litz線或者PCB繞組。
【文檔編號】H02J17/00GK103683531SQ201310612313
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】陳乾宏, 黃君濤, 陳文仙 申請人:南京航空航天大學